CN108691243A - 一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法 - Google Patents

一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法，包括：1）制备胶原蛋白溶液：取工业胶原蛋白粉分散于水中，30~50℃下搅拌0.5~2h，得胶原蛋白溶液；2）交联改性胶原蛋白：在pH为8~12的条件下，缓慢滴加四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯做交联剂，调节温度为40~80℃，反应时间2~5h，得到交联胶原蛋白溶液；3）预引发：反应体系温度为70~90℃，加入疏水性单体用量2%~10%的过硫酸铵水溶液预引发20~30min；4）接枝改性胶原蛋白：向交联胶原蛋白体系中加入疏水性单体，70~100℃下保温反应2~5h，过滤，得到产物。本发明在减少固体废弃物的同时，也得到了相应的经济效益。

Description

一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法
技术领域
本发明涉及造纸施胶剂领域，具体涉及一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法。
背景技术
我国制革工业废弃皮革年产量较大，直接填埋或露天堆放会造成严重的环境污染问题，并导致巨大的资源浪费。如果可以对废弃皮革中所含丰富的胶原蛋白进行提取，并作适当改性，制备出一种新型环保造纸施胶剂，无疑在环保及节能方面具有重要意义，并有望在经济效益方面有所突破。
目前，常采用化学交联剂对胶原蛋白进行改性。其中环氧化合物（EpoxyCompound，EC）是有机合成中最常见的交联剂之一，由于环氧基中电荷极化和环张力的存在，使得环氧基表现出很高的反应活性，容易与-NH2、酚羟基、-COOH、-SH、-OH、-C(=O)-NH2等活泼基团发生反应，并且对细胞毒性要远远小于醛类交联剂。缩水甘油酯分子结构中含有活泼的环氧基团，可与多种类型的固化剂发生交联反应形成具有三向网状结构的不溶性高聚物。
因此，本发明涉及选用一种缩水甘油酯做交联剂，对废弃皮胶原蛋白进行改性，制备一种新型环保型造纸施胶剂。
发明内容
本发明涉及一种缩水甘油酯改性废弃皮胶原蛋白制备造纸施胶剂的合成方法，旨在于提供一种低成本、环保型造纸施胶剂的制备方法，该方法利用缩水甘油酯类物质做交联剂，对从废弃皮革屑中提取的胶原蛋白进行改性，以期制备出一种廉价、高效的环保型造纸助剂。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法，包括以下步骤：
1）制备胶原蛋白溶液：称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水/油浴锅中；调整温度为30~50℃，搅拌0.5~2h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）交联改性胶原蛋白：取30mL在步骤1）中获得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水/油浴锅中，开启搅拌，加入含0.01~0.6g NaCl的水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为8~12，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量2~15%的缩水甘油酯类物质做交联剂，调节温度为40~80℃，反应2~5h，得到交联胶原蛋白溶液；交联剂要缓慢滴入反应体系中，滴加时间为15~30min，反应转速为250r/min，没有加交联剂之前，反应转速为200r/min；
3）预引发：将步骤2）的反应体系温度升高到70~90℃，加入疏水性单体用量2%~10%的过硫酸铵水溶液，预引发20~30min；
4）接枝改性胶原蛋白：在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为（1~3）:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入疏水性单体，70~100℃下保温反应2~5h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物；滴加单体混合液所用时间为15~30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
本发明进一步改进在于：步骤1）所述胶原蛋白是从废弃皮革屑中提取，数均分子量Mn为3000~50000。
本发明进一步改进在于：步骤1）反应温度为45℃，搅拌时间为1h。
本发明进一步改进在于：步骤2）中交联剂为邻苯二甲酸二缩水甘油酯。
本发明进一步改进在于：步骤2）中，交联剂的用量为胶原蛋白用量的8%，加入NaCl水溶液0.1g，pH为8，反应温度为60℃，时间为3h。
本发明进一步改进在于：步骤3）中，加入过硫酸铵水溶液的量为疏水性单体用量的8%，反应转速为300r/min。
本发明进一步改进在于：步骤4）中，疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为1.5:1，反应温度为85℃，反应时间为4h。
本发明进一步改进在于：步骤4）中疏水性单体为异戊二烯、苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明涉及一种缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的合成方法，利用交联化学键的强度远高于氢键这一特点，在胶原蛋白分子内或分子间引入交联键，形成交联网状结构，增强胶原蛋白分子结构强度，从而增强胶原蛋白的耐水性能。缩水甘油酯类物质，含有环氧基，容易与-NH2、酚羟基、-COOH、-SH、-OH、-C(=O)-NH2等活泼基团发生反应，并且对细胞毒性要远远小于醛类交联剂。另外，缩水甘油酯含有疏水键酯键，所以以缩水甘油酯为交联剂，交联改性胶原蛋白，制得的施胶剂会赋予施胶纸张更强的耐水性。结合环氧化合物和缩水甘油酯的优点，一方面可显著增强施胶纸张的物理机械性能和抗水性；另一方面以来源广泛的胶原蛋白为原材料，可降低产品的成本，变废为宝，在减少环境污染的同时创造一定的经济效益。
本发明制备的缩水甘油酯改性胶原蛋白造纸施胶剂性能优越，由于胶原蛋白属于生物质资源，基于生物质材料改性的化学品具有良好的生物亲和能力，易生物降解，具有优异的环境友好性，应用前景广阔。
附图说明
图1为施胶前后瓦楞纸试样在不同时间下的接触角。
图2为施胶前后瓦楞纸试样在不同倍率下的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。
实施例1：
1）称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中。调整温度到50℃，搅拌2h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）取30mL上述制得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中，开启搅拌，加入0.6gNaCl水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为12，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量的15%的四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，80℃下反应5h，得到交联胶原蛋白溶液；
3）反应体系温度升高到90℃，加入疏水性单体用量10%过硫酸铵水溶液，预引发30min；
4）在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为3:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入异戊二烯溶液，100℃下保温反应5h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物。滴加单体溶液所用时间为30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
实施例2：
1）称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中。调整温度到30℃，搅拌0.5h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）取30mL上述制得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中，开启搅拌，加入0.01gNaCl水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为8，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量的2%的四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，40℃下反应2h，得到交联胶原蛋白溶液；
3）反应体系温度升高到70℃，加入疏水性单体用量2%的过硫酸铵水溶液，预引发20min；
4）在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为1:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入丙烯酸乙酯和异戊二烯混合溶液，其中m（异戊二烯）:m（丙烯酸乙酯）=1:1，70℃下保温反应2h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物。滴加单体混合溶液所用时间为30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
实施例3：
1）称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中。调整温度到45℃，搅拌1h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）取30mL上述制得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中，开启搅拌，加入0.1gNaCl水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为8，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量的8%的四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，60℃下反应3h，得到交联胶原蛋白溶液；
3）反应体系温度升高到85℃，加入疏水性单体用量8%的过硫酸铵水溶液，预引发30min；
4）在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为1.5:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入丙烯酸丁酯和苯乙烯的混合溶液，其中m（苯乙烯）:m（丙烯酸丁酯）=1:1，85℃下保温反应4h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物。滴加单体混合溶液所用时间为30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
实施例4：
1）称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中。调整温度到50℃，搅拌1h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）取30mL上述制得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中，开启搅拌，加入0.1gNaCl水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为11，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量的15%的四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，80℃下反应5h，得到交联胶原蛋白溶液；
3）反应体系温度升高到80℃，加入疏水性单体用量4%的过硫酸铵水溶液，预引发30min；
4）在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为1.5:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入丙烯酸丁酯溶液，70℃下保温反应2h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物。滴加单体溶液所用时间为30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
实施例5：
1）称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中。调整温度到50℃，搅拌1h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）取30mL上述制得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中，开启搅拌，加入0.1gNaCl水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为11，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量的4%的四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，50℃下反应2h，得到交联胶原蛋白溶液；
3）反应体系温度升高到80℃，加入疏水性单体用量4%的过硫酸铵水溶液，预引发30min；
4）在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为1.5:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入苯乙烯溶液，70℃下保温反应5h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物。滴加单体溶液所用时间为30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
实施例6：
1）称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中。调整温度到45℃，搅拌1h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）取30mL上述制得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水浴锅中，开启搅拌，加入0.1gNaCl水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为8，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量的10%的四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，50℃下反应3h，得到交联胶原蛋白溶液；
3）反应体系温度升高到80℃，加入疏水性单体用量8%的过硫酸铵水溶液，预引发30min；
4）在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为1.5:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入异戊二烯溶液，70℃下保温反应3h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物。滴加单体溶液所用时间为30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
实施例7：
1）制备胶原蛋白溶液：称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水/油浴锅中。调整温度为30℃，搅拌2h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）交联改性胶原蛋白：取30mL在步骤1）中获得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水/油浴锅中，开启搅拌，加入0.05g NaCl水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为8，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量2%的四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯做交联剂，调节温度为40℃，反应5h，得到交联胶原蛋白溶液。交联剂要缓慢滴入反应体系中，滴加时间为15min，反应转速为250r/min，没有加交联剂之前，反应转速为200r/min；
3）预引发：将步骤2）的反应体系温度升高到70℃，加入疏水性单体用量8%的过硫酸铵水溶液，预引发30min；
（4）接枝改性胶原蛋白：在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为1.5:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入丙烯酸乙酯溶液，70℃下保温反应5h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物。滴加单体溶液所用时间为30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
实施例8：
1）制备胶原蛋白溶液：称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水/油浴锅中。调整温度为50℃，搅拌0.5h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）交联改性胶原蛋白：取30mL在步骤1）中获得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水/油浴锅中，开启搅拌，加入0.5g NaCl水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为12，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量2%的四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯做交联剂，调节温度为80℃，反应2h，得到交联胶原蛋白溶液。交联剂要缓慢滴入反应体系中，滴加时间为15min，反应转速为250r/min，没有加交联剂之前，反应转速为200r/min；
3）预引发：将步骤2）的反应体系温度升高到85℃，加入疏水性单体用量8%的过硫酸铵水溶液，预引发20min；
4）接枝改性胶原蛋白：在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为3:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入丙烯酸乙酯溶液， 90℃下保温反应2h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物。滴加单体溶液所用时间为30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
图1中，a，b分别为未施胶瓦楞纸和酯类改性施胶剂施胶瓦楞纸在5s、15s和20s时的接触角。
图2中，a和c是未施胶瓦楞纸在100倍和500倍电镜下的纤维状态；b和d是酯类改性施胶剂施胶瓦楞纸在100倍和500倍电镜下的纤维状态。
由图1及图2可以得出，未施胶的瓦楞纸耐水性差，20s时，水滴已被瓦楞纸完全吸收。而本发明制得的缩水甘油酯改性胶原蛋白造纸施胶剂提高了纸张的抗水性，施胶效果更好，可以作为工业用的抗水剂使用。

Claims (10)

1.一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备的造纸施胶剂，其特征在于，包括：由缩水甘油酯分子链改性胶原蛋白形成的三维网状结构，以及在胶原蛋白表面引发自由基聚合形成的聚合物分子链。
2.根据权利要求1所述的一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备的造纸施胶剂，其特征在于，由包括以下质量份的组分的混合物得到：
交联胶原蛋白 1份
疏水性单体 1~3份
过硫酸铵 0.02~0.1份/1份疏水性单体；
所述交联胶原蛋白由包括以下质量份的组分、且pH为碱性的混合物得到：
胶原蛋白 3份
NaCl 0.01~0.6份
缩水甘油酯类交联剂 0.06~0.45份。
3.根据权利要求2所述一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备的造纸施胶剂，其特征在于：所述胶原蛋白是从废弃皮革屑中提取的胶原蛋白，数均分子量Mn为3000~50000。
4.根据权利要求2所述一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备的造纸施胶剂，其特征在于：缩水甘油酯类交联剂为四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯。
5.根据权利要求2所述一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备的造纸施胶剂，其特征在于：疏水性单体为异戊二烯、苯乙烯、丙烯酸丁酯，丙烯酸乙酯中的一种或多种。
6.一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）制备交联胶原蛋白溶液：将胶原蛋白、及NaCl以水为溶剂分散均匀，将混合物pH调节至8~12，缓慢滴加缩水甘油酯类交联剂，调节反应体系在40~80℃充分反应；
2）预引发：将步骤1）的反应体系温度升高到70~90℃，加入过硫酸铵的水溶液，预引发20~30min；
3）接枝改性胶原蛋白：向步骤2）得到的预引发交联胶原蛋白体系中加入疏水性单体，70~100℃下充分反应。
7.根据权利要求6所述一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法，其特征在于，所述步骤1）中含有胶原蛋白和NaCl的水溶液由包括以下步骤的方法得到：
将工业胶原蛋白粉分散于足量的水中充分浸泡，使得胶原蛋白充分溶胀；将前述混合物置于30~50℃搅拌0.5~2h，过滤，得胶原蛋白溶液；搅拌状态下，向胶原蛋白溶液中加入NaCl的水溶液，使其分散均匀，得到含有胶原蛋白和NaCl的水溶液。
8.根据权利要求6所述一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法，其特征在于：所述步骤1）中采用10%的NaOH水溶液将混合物pH调节至8~12。
9.根据权利要求8所述一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法，其特征在于，具体步骤包括：
1）制备胶原蛋白溶液：称取3g工业胶原蛋白粉分散于30mL水中，待其充分溶胀，放入配有搅拌棒的250mL三口烧瓶中，置于恒水/油浴锅中；调整温度为30~50℃，搅拌0.5~2h，然后用纱布过滤，得胶原蛋白溶液；
2）交联改性胶原蛋白：取30mL在步骤1）中获得的胶原蛋白溶液放入配有搅拌棒和回流冷凝装置的250mL三口烧瓶中，置于恒水/油浴锅中，开启搅拌，加入含0.01~0.6g NaCl的水溶液，搅拌均匀，再用10%的NaOH水溶液调节其pH为8~12，然后缓慢滴加用量为胶原蛋白用量2~15%的缩水甘油酯类物质做交联剂，调节温度为40~80℃，反应2~5h，得到交联胶原蛋白溶液；交联剂要缓慢滴入反应体系中，滴加时间为15~30min，反应转速为250r/min，没有加交联剂之前，反应转速为200r/min；
3）预引发：将步骤2）的反应体系温度升高到70~90℃，加入疏水性单体用量2%~10%的过硫酸铵的水溶液，预引发20~30min；
4）接枝改性胶原蛋白：在氮气保护下，按疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为（1~3）:1向步骤3）得到的交联胶原蛋白体系中加入疏水性单体，70~100℃下保温反应2~5h，自然冷却至室温用纱布过滤，得到产物；滴加单体混合液所用时间为15~30min，反应转速为250r/min，保温反应时反应转速为200r/min。
10.根据权利要求9所述一种用缩水甘油酯改性胶原蛋白制备造纸施胶剂的方法，其特征在于：所述步骤1）反应温度为45℃，搅拌时间为1h；所述步骤2）中，交联剂的用量为胶原蛋白用量的8%，加入含0.1g NaCl的水溶液，pH为8，反应温度为60℃，反应时间为3h；所述步骤3）中，加入疏水性单体用量8%的过硫酸铵水溶液，反应转速为300r/min；所述步骤4）中，疏水性单体与交联胶原蛋白的质量比为1.5:1反应温度为85℃，反应时间为4h。
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